科技日報記者 劉霞

科學家在理解量子力學的基本現(xiàn)象——電子隧穿效應(yīng)方面取得重大突破。韓國浦項科技大學和德國馬克斯·普朗克研究所的科研團隊合作，首次觀測到電子在量子隧穿過程中的“勢壘內(nèi)再碰撞”現(xiàn)象，顛覆了“電子僅在穿出勢壘后與原子核相互作用”的傳統(tǒng)認知。這項發(fā)表于《物理評論快報》雜志的最新研究成果，不僅刷新了科學界對量子隧穿現(xiàn)象的理解，還將為半導體、量子計算機及超快激光等依賴量子隧穿效應(yīng)的技術(shù)發(fā)展提供新思路。

科學家首次揭示電子發(fā)生量子隧穿過程的細節(jié)。圖片來源：美國每日科學網(wǎng)站

在量子力學領(lǐng)域，量子隧穿是指電子等微觀粒子能夠穿越經(jīng)典物理學認為不可逾越的能量勢壘的奇特行為。這種現(xiàn)象猶如“穿墻術(shù)”，在經(jīng)典物理中無法實現(xiàn)，因為電子本不具備足夠能量克服勢壘，但在量子世界，電子有一定概率以波的形式穿越勢壘，就像挖了一條隧道一樣。

量子隧穿不僅是半導體（智能手機、計算機等電子設(shè)備的核心部件）的工作原理，還是太陽核聚變產(chǎn)生光與能量的關(guān)鍵機制。然而百年來，科學家雖能觀測電子隧穿前后的狀態(tài)，但對電子穿越勢壘時的具體行為始終知之甚少。

研究團隊此次利用強激光脈沖，誘導原子內(nèi)的電子發(fā)生量子隧穿。他們意外發(fā)現(xiàn)，電子并非安靜穿過勢壘，而是會在勢壘內(nèi)部與原子核發(fā)生碰撞。他們將這一現(xiàn)象命名為“勢壘內(nèi)再碰撞”。傳統(tǒng)理論認為，電子僅在脫離勢壘后才能與原子核相互作用，而該研究首次證實這種相互作用可發(fā)生于勢壘內(nèi)部。

研究還發(fā)現(xiàn)，電子在隧穿過程中會獲得能量并與原子核發(fā)生碰撞，產(chǎn)生顯著強化的“弗里曼共振”效應(yīng)，且該現(xiàn)象不受激光強度變化影響。

這項研究首次闡明了隧穿過程的電子動力學，不僅能幫助科學家更精準調(diào)控電子行為，還將為半導體、量子計算機等的技術(shù)發(fā)展提供重要理論支撐。

總編輯圈點

在基礎(chǔ)研究層面，這一成果挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)理論，為人們探索微觀世界提供了一個全新維度，從而可能激發(fā)更多關(guān)于基本粒子行為的研究；而從轉(zhuǎn)化應(yīng)用角度來看，這一研究有望極大地促進半導體技術(shù)的進步。當前，半導體器件設(shè)計依賴于對電子行為的精確控制，而新發(fā)現(xiàn)的“勢壘內(nèi)再碰撞”現(xiàn)象及其相關(guān)的能量交換機制，可能為優(yōu)化現(xiàn)有器件性能、提高效率開辟新途徑。特別是在開發(fā)高效能晶體管和傳感器方面，該研究提供了新的思路和方法。